Zn

غلظت بالای فلزات در خاک می تواند برای گیاه سمی باشد. وجود فلزات در سطح خاک علاوه بر این که باعث رشد ضعیف گیاه میگردد، می تواند منجر به حرکت فلزات با رواناب و انتقال آن به منابع آب شرب گردد خاک برهنه حساسیت بالایی به فرسایش دارد. در نتیجه عمل فرسایش، آلاینده ها به همراه گرد و غبار در محیط زیست پراکنده می شوند. در چنین موقعیت هایی، هدف فوری پالایش، احیاء مکان با استقرار پوشش گیاهی برای پوشاندن خاک، کاهش فرسایش و جلوگیری آلودگی است.

فلزات موجود در خاک به صورت های زیر وجود دارند:
باند شده به مواد آلی خاک
رسوب یا اکسیدها، هیدروکسیدها و کربنات ها
حضور در کانی های سیلیکاتی
یون های فلزی آزاد و کمپلکس های فلزی محلول در آب خاک
جذب سطحی با بارهای منفی ترکیبات غیرآلی خاک در محل های تبادل یونی
اگر چه بسیاری ازفلزات برای گیاهان لازم و ضروری میباشند اما غلظتهای بالای این فلزات برای گیاهان سمی می باشند زیرا باعث ایجاد تنش اکسیداتیو (Oxidative Stress) در گیاه میشوند و از اثرات زیان بار این تنش در گیاهان رادیکالهای آزاد تولید میشوند. درغلظتهای بالای فلزات، جانشینی با فلزات ضروری رخ میدهد و از آنجا که فلزات ضروری در تشکیل رنگیزه ها و آنزیم ها نقش مهمی دارند بنابراین تشکیل رنگیزه ها دچار اختلال می شود و از این رو عناصر موجود در خاک را برای رشد گیاه نامناسب ساخته و تنوع زیستی را از بین می برد. فلزات تنها در فرم محلول توسط ریشه گیاهان جذب می شوند و اشکال جذب سطحی به عنوان ذخایر قابل تبادل می توانند به فرم محلول در آیند (Alloway, 1995).

گیاه پالایی^[۲۰]

یکی از روش هایی که در دهه های اخیر به آن توجه بسیاری شده است. استفاده از گیاهان مقاوم برای پالایش خاک های آلوده به ترکیبات آلی و معدنی است. بزرگترین مزیت این روش نسبت به سایر روش ها، ارزان بودن و سادگی آن است. در این روش که به گیاه پالایی معروف است، انتخاب گیاه مناسب از اهمیت ویژه ای برخوردار است و وابسته به شرایط اقلیمی منطقه و نوع آلئدگی خاک می باشد. در کنار مزایای زیاد گیاه پالایی، معایبی نیز وجود دارد که از آن می توان نیاز به زمان زیاد برای فرایند پالایش و ناکارآمدی آن در خاک های با آلودگی بسیار بالا را نام برد. با این همه اقبال عمومی نسبت به این روش در دهه های اخیر بسیار بوده است.
گیاه پالایی یک تکنولوژی نوظهور و سبز می باشد که از گیاهان برای پالایش خاک ها،رسوبات و آبهای سطحی و زیرزمینی آلوده به فلزات سنگین، موا دآلی و ذرات رادیواکتیو^[۲۱] استفاده مینماید (Pradhan,1998). گیاه پالایی یک ابزار مؤثر، بدون اثرات جانبی و ارزان قیمت برای پالایش خاک هاست(Wiltse, 1998). این تکنولوژی نسبت به روش های شیمیایی و مکانیکی مرسوم برای جداسازی آلاینده های خطرناک از خاک مقرون به صرفه تر است (Fiorenza,2000). تلاش های زیادی که امروزه بر روی این مکانیسم انجام میگیرد بیشتر معطوف به یافتن گیاهان بیش انباشتگری است که قادر به برداشت فلزات سنگین از محیط های آبی و خاکی هستند و تحقیقات کمی در زمینه گیاه پالایی ترکیبات آلی صورت گرفته است(Fiorenza,2000). نظریه استفاده از گیاهان برای پالایش خاک های آلوده به آلاینده های آلی بر اساس مششاهداتی است که گویای کاهش غلظت این مواد در محیط های بدون پوشش است(Burken,1995). انواع روش های گیاه پالایی: فرایند های گیاه پالایی به ۵ دسته تقسیم می شوند که عبارتند از: پایدار سازی گیاهی، تجزیه بیولوژیک در محیط ریشه، تغییر شکل گیاهی، عصاره کشی یا استخراج گیاهی و فیلتراسیون ریشه ای.

۱-۷-۱- تاریخچه

عقیده استفاده از گیاهان برای پاکیزه کردن محیط های آلوده جدید نیست. در حدود ۳۰۰۰ سال پیش، استفاده از گیاهان برای تصفیه فاضلاب پیشنهاد شد. در اواخر قرن نوزدهم میلادی، گیاهان تالاسپی^[۲۲] و ویولا^[۲۳] اولین گونه های گیاهی بودند که برای تجمع غلظت های بالای فلزات در برگهایشان مورد استفاده قرار گرفتند(Baumann, 1885). در سال ۱۹۳۵ بایرز گزارش کرد که گیاهان خانواده آستراگالوس، قادر به تجمع بیش از ۶/۰ درصد سلنیوم در زیست توده یا بیومس خشک اندام هوایی خود هستند. یک دهه بعد، گیاهانی شناسایی شدند که قادر به تجمع بیش از ۱ درصد نیکل در اندامهای هوایی خود بودند (Byers, 1985). حدودا ۵۰ سال پیش اولین گیاه علفی مقاوم به سرب شناخته شد(Bradshaw,1952). اولین تلاشهای مزرعه ای در این زمینه بر روی استخراج کادمیوم و روی از مناطق آلوده به استفاده از گیاهان در سال ۱۹۹۱ صورت گرفت(Baker,1991). در دهه گذشته تحقیقات وسیعی به منظور بررسی بیولوژی جذب فلزات بوسیله گیاهان انجام گرفته است. با وجود موقعیتهای زیاد در این رابطه هنوز دانش بشر در زمینه شناخت مکانیسمهای گیاهی که به جذب فلزات کمک می کند، ناکافی است. علاوه بر این، اثر روش های کاربردی مانند تأثیر فعالیت های زراعی بر برداشت فلزات بوسیله گیاهان، به طور عمده ناشناخته مانده است. باید در نظر داشت که تکامل روش عصاره کشی گیاهی به یک تکنولوژی اقتصادی، به شناسایی مکانیسمها گیاهی و کاربرد فعالیتهای کشاورزی مناسب وابسته است.

۱-۷-۲- مزایا و معایب گیاه پالایی فلزات سنگین

پالایش خاکهای آلوده به فلزات به سختی انجام میگیرد و یک چالش بزرگ محسوب میگردد. بر خلاف آلایندههای آلی، فلزات قابل تجزیه نیستند و معمولا آلودگی زدایی خاک های آلوده به آنها نیاز به جداسازی فلزات سمی از اینگونه محیطها دارد. تکنولوژی های اخیر از جمله حفاری خاک و یا آبشویی خاک بر پایه جداسازی فیزیکی و شیمیایی آلاینده ها طراحی شده اند. هزینه پالایش خاک بسیار متغیر و وابسته به غلظت آلاینده، خصوصیات خاک و شرایط محیط می باشد.
پاکیزه کردن خاک های آلوده به فلزات با بهره گرفتن از روش های مرسوم بسیار پر هزینه است (Salt,1999). در حال حاضر به علت هزینه بالا، نیاز به تکنولوژی های پالایشی ارزان قیمت کاملا احساس می شود. گیاه پالایی یک تکنولوژی نوظهور و مقرون به صرفه است، علاوه بر این، چون این روش خاک را به صورت در جا پالایش می کند؛ پس ساختار طبیعی زمین را بهم نمی زند و از اکوسیستم محافظت می نماید در کنار این مزایا، این روش معایبی نیز دارد که از آن جمله می توان به محدودیت های بیولوژیکی گیاهی مانند مقاومت پایین گیاه و اندازه کوچک گیاهان مناسب برای این عمل و ضعف انتقال بعضی از آلاینده ها از ریشه به ساقه اشاره کرد.

۱-۷-۳- گیاهان پالایش کننده

گیاهان برای رشد و کامل شدن سیکل حیات، علاوه بر عناصر مانند نیتروژن، فسفر، پتاسیم، گوگرد، کلسیم ومنیزیم، به عناصر کم مصرف مانند آهن، روی، منگنز، نیکل، مس و مولیتدن نیز نیاز دارند. گیاهان دارای مکانیسم های ویژهای برای جذب، انتقال و ذخیره این عناصر هستند( جدول ۱-۷). برای مثال حرکت فلزات از بین غشاهای بیولوژیک توسط پروتئین های انتقالی انجام میگیرد. علاوه بر این، مکانیسمهای حساسی وجود دارند که غلظت فلزات را در محدوده فیزیولوژیک داخل سلولها حفظ میکنند. معمولا مکانیسم جذب انتخابی است. گیاهان ترجیحا بعضی فلزات و یون ها را بیشتر از یون ها جذب میکنند. جذب انتخابی یونها به ساختمان و خصوصیات انتقال دهندههای غشایی بستگی دارد. این ویژگی ها به انتقال دهنده اجازه میدهد با شناسایی یونهای ویژه به آنها متصل شده و آنها را از بین غشاء عبور دهد. برای مثال بعضی انتقال دهنده ها، کاتیونهای دوظرفیتی را منتقل کرده ولی یون های یک و سه ظرفیتی را منتقل نمی کنند. بسیاری از فلزات مانند روی، منگنز، نیکل و مس، جزء عناصر کم مصرف ضروری هستند. در بسیاری از گیاهان غیر تجمع کننده، تجمع بیش از نیاز متابولیک ( کمتر از ۱۰ میلی گرم بر کیلو گرم) این عناصر صورت نمیگیرد. مکانیسم تجمع کادمیوم در گیاه هنوز شناخته نشده است. ممکن است جذب این فلز در ریشه ها بوسیله سیستمی صورت گیرد که در انتقال سایر عناصر دو ظرفیتی مانند Zn²⁺ نقش دارد. کادمیوم یک رقیب شیمیایی برای این یون است و ممکن است گیاهان نتوانند تفاوتی بین این دو یون قائل شوند (Chaney,1994)
جدول ۱- ۷عوامل مؤثر بر قابلیت دسترسی زیستی فلزات(Adriano et al.,1997)

عوامل زیست محیطی

عوامل گیاهی

شرایط خاک

شرایط اقلیمی

گونه گیاهی

pH

آب آبیاری و شوری

رقم گیاهی

ظرفیت تبادل کاتیونی

مدیریت

اندام گیاه و سن آن

مقدار و نوع رس ها